Российские учёные разработали «протез» для мозга
Если у человека в результате болезни или травмы страдает мозг, это чревато многочисленными проблемами – нарушениями памяти, мышления, концентрации внимания, двигательных функций. Вернуть пациента к полноценной жизни способна технология, разработанная специалистами Нижегородского государственного университета имени Лобачевского. Она имитирует сигналы, поступающие от биологических нейронов, и таким образом восстанавливает работу повреждённых участков мозга.
Вот бы заменить!
Как известно, работа мозга зависит от нейронов – многочисленных клеток, из которых он состоит. А что делать, если нейроны необратимо повреждены? Может, создать искусственные аналоги, нечто вроде нейропротезов?
Так, сотрудники Университета Линчепинга (Швеция) разработали синтетический нейрон, который в качестве эксперимента интегрировали в живое плотоядное растение. Однако, хотя с помощью клетки удавалось управлять открытием и закрытием «пасти» растения, лишь две её характеристики соответствовали параметрам настоящей биологической клетки.
А вот доцент Симона Фабиано и её коллеги из Лаборатории органической электроники (LOE) стали авторами органического электрохимического нейрона (c-OECN), точно имитирующего 15 из 20 нейронных характеристик естественных биологических процессов.
Но разработка исследователей с кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины ННГУ оказалась куда круче. Учёным удалось определить параметры, при которых биологическая нейронная сеть и источник нейроноподобных сигналов начинают функционировать как единое целое.
Исследователи взяли фрагмент гиппокампа мыши (гиппокампом называется участок головного мозга, отвечающий за память, обучение и пространственную ориентацию) и подключили к нему электрический генератор, воспроизводящий сигналы, имитирующие мозговую активность. Генератор стимулировал биологические клетки, а те «сигнализировали» в ответ. Таким образом электросхема становилась «придатком» гиппокампа.
– Развитие инвазивных технологий нейроинтерфейсов с замкнутыми цепями привело к значительным достижениям в восстановлении нейронных связей, – рассказала «Газете о России» руководитель проекта, доцент кафедры нейротехнологий ННГУ Альбина Лебедева. – Эти устройства предлагают более тонкие и точные настройки стимуляции, которые могут адаптироваться к изменениям физиологического состояния, что имеет решающее значение для восстановления функций нервной ткани.
Однако понятно, что если мы хотим внедрить в живые ткани что-то искусственное, тут не обойтись без имплантов. Можно заранее представить себе этот ад будущего, в котором человек станет зависеть от имплантированного чипа! И если тот вдруг даст сбой или окажется несовместимым с биологической тканью, его носитель может превратиться в маньяка или «овощ».
– В рамках нашего проекта мы разрабатываем нейрогибридный чип для улучшения памяти у лабораторных крыс, – рассказывает Лебедева. – Он состоит из имплантируемых внутрь гиппокампа крысы электродов, которые считывают нейрональную активность. К этим электродам будет подключаться управляющее устройство со встроенными обучаемыми нейронными сетями, которые смогут в режиме реального времени регулировать нейрональную активность в мозге животного.
А вот об имплантируемых системах для человека пока речи не идёт, успокаивает Лебедева:
– Разработка имплантов для человека – это всегда сложный путь, требующий предварительных тщательнейших фундаментальных исследований. А затем ещё и прикладных, включающих в себя доклинические и клинические испытания.
До человекоробота далеко
По мнению консультанта проекта, профессора Мадридского политехнического университета Александра Писарчика, это настоящий научный прорыв, открывающий широкие возможности в области нейроморфных приложений: от разработки «умных» роботов до создания медицинских устройств нового поколения.
Но здесь закономерно возникает вопрос: как далеко может зайти использование данных технологий, ведь в случае с роботами уже не в биологический организм что-то внедряют, а напротив, в искусственный механизм «подсаживают» нечто живое?
– Безусловно, любая нейрогибридная технология открывает широкие возможности для разработок в области биологоправдоподобных интеллектуальных систем, – считает Лебедева. – Именно такие фундаментальные исследования раскрывают новые механизмы и предоставляют новые протоколы работы и взаимодействия искусственных нейронов с живыми нейронами мозга лабораторных животных.
То есть пока, опять же, никто не собирается использовать в таких устройствах клетки человека. Для создания «мыслящего» робота вполне достаточно мозговых нейронов мыши или кролика.
Мозг в приоритете
Исследования нижегородских учёных проводились в рамках федеральной программы «Приоритет-2030», направленной на повышение научно-образовательного потенциала университетов и научных организаций. Сюда относится и создание новых наукоёмких технологий, отраслей и конкурентоспособных продуктов.
С 2019 года в России реализуется проект «Мозг, интеллект, инновации», получивший поддержку президента. Его основными задачами являются изучение механизмов работы головного мозга, борьба с нейродегенеративными заболеваниями, развитие нейроморфного искусственного интеллекта, а также создание нейроинтерфейсов «мозг – компьютер».
Одним из инициаторов проекта стал академик РАН Александр Сергеев, написавший письмо Владимиру Путину. В нём излагаются основные направления программы.
– Сегодня исследования головного мозга становятся всё более приоритетной областью исследований во всем мире, – пишет Сергеев. – В развитых странах расходы на лечение болезней, связанных с расстройствами функций мозга, превышают 35 % от всех расходов на здравоохранение. Кроме того, успехи медицины и социальных программ в последние десятилетия привели к увеличению продолжительности жизни и старению населения, что ведёт к быстрому росту числа людей, страдающих неизлечимыми нейродегенеративными заболеваниями. Это один из «больших вызовов» демографической трансформации, стоящих перед многими государствами, который важен и для нашей страны.
Программа, ответственными исполнителями которой назначены Минобрнауки, Минздрав, Минэкономразвития, Минцифры, Минпромторг, Федеральное медико-биологическое агентство и госкорпорация «Ростех», рассчитана на 2021-2029 годы. Планируется, что объём её финансирования составит 54 млрд руб. И хотя одно время ходили слухи, что проект признан нецелесообразным, работы всё же ведутся, и довольно активно.
Так, растёт число научных организаций, занимающихся исследованиями мозга. В частности, в стенах Курчатовского института функционируют лаборатории, где изучают биологический, физико-химический, информационный, нанотехнологический, нейрокогнитивный и лингвистический профили мозга.
На биофаке МГУ разрабатываются образцы нейрокоммуникаторов и нейротренажёров, предназначенных для пациентов, перенёсших черепно-мозговые травмы и инсульты, исследуются молекулярные механизмы нейродегенеративных заболеваний митохондриального происхождения. При МГУ также был создан Институт перспективных исследований мозга. Там изучают высшие функции мозга – интеллект, память и сознание, в том числе и механизмы их нарушений. Разрабатываются методы восстановления этих функций.
Скорее всего, нас ждёт ещё немало научных открытий, связанных с мозгом. Может быть, в один прекрасный день мы услышим, что найдена панацея от болезней Паркинсона и Альцгеймера. И произойдёт это благодаря российским исследователям.
Ирина Шлионская
Заглавное фото: mixyfotos.ru